ساختار اتمي
هيدروژن با تشكيل 75% از حجم ستارگان و كهكشانها فراوان ترين و سودمندترين عنصر در جهان است.مي توان تصور كرد كه اتم هيدروژن از يك هسته مركزي تشكيل شده است كه يك الكترون بدور اين هسته همانند چرخش يك سياره به دور خورشيد مي چرخد.دانشمندان بر اين عقيده اندكه يك ابر الكتروني همانند يك قشره كروي اطراف هسته را اشغال كرده است.اتم هاي هيدروژن از يك پروتن منفرد تشكيل شده اند، مگر در شكل كمياب به آن (ايزوتروپ هيدروژن)كه از يك پروتن و يك نوترون تشكيل شده است.به اين ايزوتروپ دوتريم يا هيدروژن سنگين گفته مي شود.هيدروژن داراي ايزوتوپ ديگري به نام تريتيم كه داراي دو نوترون و يك پروتن مي باشدنيز است اما اين ايزوتوپ ناپايدار بوده و از بين مي رود.
بيشتر جرم اتم هيدروژن در هسته آن است، در حقيقت ،پروتون 1800 برابر سنگين تر از الكترون مي باشد.نوترون ها تقريبا جرم يكساني با پروتون ها دارند.به هر حال شعاع الكتروني كه اندازه اتم را شامل مي شود تقريبا 100هزار برابر بزرگتر از شعاع هسته آن است.به وضوح مشخص است كه اتم هاي هيدروژن داراي فضاي خالي بسيار بزرگي هستند اتم هاي همه عناصر داراي فضاي خالي زيادي بوده اما همه آنها سنگين ترند و داراي الكترون هاي بيشتري مي باشند.
پروتون داراي بار الكتريكي مثبت،الكترون داراي بار الكتريكي منفي بوده و نوترون نيز بدون بار است.بارهاي همراه پروتون و الكترون در هر اتم هيدروژن همديگر را خنثي كرده و به همين دليل اتم هاي منفرد هيدروژن از نظر الكتريكي خنثي هستند.از نظر شيميايي ،ارايش اتمي يك الكترون منفرد در اطراف هسته بسيار واكنش پذير است.به همين دليل اتم هاي هيدروژن با هم تركيب شده و به صورت مولكول هاي جفت شده (دوتايي) وجود دارند.هر پروتون در مولكول هيدروژن جفت شده داراي ميداني است كه مي توان از نظر رياضي تصور كرد كه داراي يك اسپين است.مولكول هايي كه هر جفت پروتون آنهاداراي اسپين يكسان هستند را اورتو هيدروژن و مولكول هاي كه پروتون هاي آنها داراي اسپين مخالف هستند را پاراهيدروژن مي نامند.بيش از 75%از هيدروژن هاي معمولي موجود در دما اتاق اورتو هيدروژن هستند.اين مهم است كه در دما خيلي كم اورتو هيدروژن بسيار ناپايدار بوده و به ارايش پايدار پاراهيدروژن، تبديل مي شود،كه فرايندي گرما زا است.اين حرارت آزاد شده مي تواند براي فرايندهاي هيدروژن در دما پايين ،به خصوص در حالت مايع مشكل ايجاد مي كند.
خواص فيزيكي
1-حالت :
تمامي مواد موجود در زمين داراي حالتهاي گاز،مايع و يا جامد هستند. مواد از حالتي به حالت ديگر تبديل مي شوند كه به دما و فشار محيط وابسته است.در واقع،يك گاز با كاهش دما مي تواند به يك مايع تبديل شود و به همين صورت با كاهش زياد دما ،مايع نيز به جامد تبديل مي شود. هيدروژن پس از هليوم داراي دومين نقطه جوش و ذوب است.هيدروژن مايع داراي نقطه جوش كمتر از 20k(-253cو -423F)است و جامد آن نقطه ذوبي كمتر از 14K(-259C و-434F) در فشار اتمسفريك دارد.بديهي است كه اين دماها به شدت پايين بوده و دما كمتر از 200K (-100F و-73C)را دما سرما زايي مي گويند.
2-بو ،رنگ ، مزه:
هيدروژن خالص بي بو،بي رنگ و بي مزه است.زماني كه هيدروژن به هر دليلي از منبع ذخيره شده نشت كند قابل رويت نيست.
3-سميت :
هيدروژن سمي نيست اما وقتي كه جايگزين اكسيژن درهوا شود،مي تواند باعث خفگي شود.
4-دانسيته و كميت هاي وابسته:
هيدروژن به دليل دارا بودن وزن اتمي بسيار كم نسبت به هر ماده اي داراي دانسيته خيلي كمي در دو حالت مايع و گاز است.
1-4-دانسيته:با ميزاني از جرم واحد حجم تعريف مي شود.
2-4-حجم مخصوص:حجم مخصوص گاز هيدروژن 191.3Ft³/Lb (11.9m³/kg)در 68 F(20C) و حجم مخصوص هيدروژن مايع 226Ft³/Lb(0/014m³/kg) در -423 F(-250 C)است.
3-4-وزن مخصوص:هيدروژن گازي،با دانسيته 0.00523Lb/Ft³ داراي وزن مخصوص 0.0969است و بنابراين تقريبا 7%دانسيته هوا را دارا است.
2-انرژي
1-2-محتواي انرژي:هر نوع سوخت وقتي به طور كامل با اكسيژن واكنش دهد،مقدار ثابتي انرژي آزاد مي كند.اين انرژي از طريق ازمايش و تعيين يك كميت با نام ارزش گرمايي بالاي سوخت ها(HHV)وارزش گرمايي پايين (LHV)اندازه گيري شده است.اختلاف بين ارزش گرمايي بالا و ارزش گرمايي پايين را گرما تبخير گفته و نشان دهنده ميزان انرژي مورد نياز براي تبخيره يك سوخت مايع و تبديل آن به سوخت گاز است.
2-2-دانسيته انرژي:دانسيته در حالي كه محتواي انرژي با مقداري از انرژي براي يك وزن معين از سوخت مشخص مي شود.دانسيته انرژي با مقداري از انرژي (برحسب Btuيا ژول )براي يك حجم معين بر حسب Ft³يا m³از سوخت بيان مي گردد.دانسيسته انرژي در حقيقت مقياسي از چگونگي اتمهاي متراكم هيدروژن در يك سوخت است.
دانسيته انرژي يك سوخت همچنين تحت تاثير چگونگي ذخيره سازي آن (مايع يا گاز)است و اگر اين ذخيره سازي در حالت گازي باشد به فشار آن نيز بستگي خواهد داشت.
3-2-اشتعال پذيري:براي اينكه آتش سوزي يا انفجار رخ دهد سه اصل كه عبارتند از سوخت، اكسيژن(مخلوط با سوخت به مقدار مناسب)و منبع احتراق مورد نياز است.هيدروژن يك سوخت اشتعال پذير است و زماني كه با اكسيژن ناشي از وارد شدن هوا به داخل مخزن هيدروژن يا نشت هيدروژن تركيب شود قابل احتراق مي شود.منبع احتراق مي توتند جرقه ،شعله و يا حرارت زياد باشد.
4-2-نقطه اشتعال:همه سوخت ها فقط در حالت گاز يا بخار مي سوزند. سوختهاي مثل متان و هيدروژن در شرايط اتمسفريك گاز هستند.در حالي كه سوخت هاي ديگر مانند بنزين و ديزل مايع هستندكه براي سوختن بايد به بخار تبديل شوند.اين مشخصه براي سوخت ها كه مي تواند به بخار تبديل شوند به وسيله نقطه اشتعال تعريف مي شوند.اين دما دمايي است كه سوخت به مقدار كافي تبخير شده و به شكل يك مخلوط قابل احتراق با هوا در آمده است.


نوع سوخت
نقطه اشتعال
هيدروژن
(20 k/-253 c)<-423 F
متان
(85 K/-188 C)-306 F
پروپان
(169 K/-104 C)-156 F
بنزين
(230 K/-43 C)-45 F
متانول
(284 K/110 C)-52 F

5-2-دماي احتراق خودبخودي:دماي احتراق خوبخودي حداقل دما،براي آغاز احتراق در شرايطي كه يكي از منابع آتش و احتراق در دسترس نباشد است به عبارت ديگر سوخت گرم مي شود تا آتش بگيرد.هر سوخت يك دماي احتراق خودبخودي منحصر بفرد دارد.براي هيدروژن اين دما بالا بوده و 1085 F(585 C)است.مخلوط هيدروژن و هوا به سختي بدون اضافه شدن منبع حرارت آتش مي گيرند.
6-2-عدد اكتان: عدد اكتان بيان كننده خواص احتراقي سوخت است.
نوع سوخت
عدد اكتان
هيدروژن
130
متان
125
پروپان
105
اكتان
100
بنزين
87
7-2-انرژي احتراق:
انرژي احتراق مقداري از انرژي خارجي است كه براي سوختن يك مخلوط قابل احتراق سوخت كاربرد دارد.با اين كه هيدروژن دماي احتراق بالاي نسبت به متان ،پروپان يا بنزين است،انرژي احتراق آن 1.9 ×10ˉ⁸Btu(0.02 mj)است.
8-2-سرعت احتراق:سرعت احتراق سرعتي است كه يك شعله از ميان يك مخلوط گاز قابل احتراق حركت مي كند.سرعت احتراق هيدروژن 8.7-10.7 Ft/s(2.65-3.25 m/s)است كه مرتبه بزرگي نسبت به متان يا بنزين در شرايط استوكيومتريك هست.بنابراين آتش حاصل از سوختن هيدروژن سريع،و در نتيجه نسبتا كم دوام است.
9-2-حد فاصل سرد شدن:حد فاصل سرد شدن،نشانگر خاصيت خاموش شدن شعله هاي آتش يك سوخت،وقتي كه در موتورهاي احتراق دروني استفاده مي شود،است.اين خاصيت در پيل هاي سوختي مورد استفاده نيست.حد فاصل سرد شدن هيدروژن (0.025in-0.064 cm)است،كه تقريبا سه برابرديگر سوخت ها مثل بنزين است.
روش هاي توليد هيدروژن:
1-توليد هيدروژن به وسيله سوخت هاي فسيلي و زيست توده:
از سوخت هاي فسيلي براي تامين انرژي مورد نياز براي توليد سوخت هيدروژن مي توان استفاده كرد.هيدروژن از منابع سوخت فسيلي يا از تجزيه آب بوسيله اين سوخت ها توليد مي شود.سيستم هاي توليد هيدروژن به وسيله سوخت فسيلي ازتكنولوژي هاي بسيار قديمي بوده و در حال حاضر ارزشمند نيستند.زيرا از اين سوختها دي اكسيد كربن به عنوان محصول جانبي بدست مي آيد.استفاده از اين روشهاي توليد هيدروژن به دليل چشم انداز اقتصادي و استفاده از منابع تجديد ناپذير مورد توجه نيستند.زيست توده هم سوختي با پايه كربن است كه در نتيجه مي تواند دي اكسيد كربن توليد كند.
2-فرايند تبديل بخار آب به وسيله متان:
توليد هيدروژن با استفاده از تبديل بخارآب به وسيله متان در سه مرحله انجام مي گيرد.متان ابتدا در يك تبديل كاتاليستي در دما و فشار بالا تركيبي از H₂وCOتوليد مي كند.سپس يك واكنش كاتاليستي صورت گرفته و از تركيب COوH₂Oهيدروژن توليد مي شود.در چنين شرايطي هيدروژن توليد شده به وسيله عمل جذب خالص سازي مي شود.مرحله تبديل در يك واكنش شيميايي زير نشان داده شده است:
CH₄+H₂O→2H₂+CO ∆H=+206KJ/MOL

1-تحقيقات جديد در اين زمينه:
مي توان از باكتري روبريويواكس ژلاتينوسوس (به عنوان بهبود دهنده) به منظور پيشرفت واكنش به وسيله تخمير استفاده كرد.تحت شرايط نوري مناسب سلول ها عمل فتوسنتز را بوسيله انرژي خورشيد انجام مي دهند كه باعث تبديل CO₂و الكترونهاي آب به O₂و قند مي شوند.O₂توليد شده براي اكسيد كردن COبهCO₂مي تواند استفاده شودكه همراه با آزاد كردن 61.1كيلوكالري انرژي به ازاي هر مول COاست.اگر سلول ها در مكاني تاريك كه راكتور در آن مكان قرار دارد باشند نمي توانند عمل فتوسنتز را به مدت طولاني انجام دهند و بايد از آنها به صورت بي هوازي براي توليد انرژي استفاده كرد.يكي از راهها موجود استفاده از بخار آب در واكنش است كهCOبا واكنش زير به CO₂تبديل مي شود.
CO+H₂O→CO₂+2eˉ+2H⁺
2H⁺+2eˉ→H₂
CO+H₂O→CO₂+H₂
در اين فرايند باكتري روبريويواكس ژلاتينوسوس 4.46 كيلوكالري انرژي به ازاي هر مول COواكنش داده آزاد مي كند.اين مقدار بسيار كمتر از 6.1Kcal/mol coاست كه از اكسيداسيون مستقيم co₂به دست مي ايد.به اين دليل كه سلول در فاز تاريك كمترين رشد را دارد.
2-اكسيداسيون جزيي/تبديل اتوترمال متان
اكسيداسيون جزيي و تبديل اتوترمال متان شكل ديگري از SMRهستند.فرايند اكسيداسيون جزيي به طور مستقيم با اكسيد شدن متان در يك مرحله واكنش انجام مي گيرد.در صورتي كه تبديا اتوترمال تركيبي از اكسيداسيون جزيي و واكنش تبديل است در جنين شرايطي متان با مخلوطي ازبخارآب و اكسيژن بصورت كاتاليزوري واكنش مي دهد.اختلاف تبديل اتوترمال باSMRدر اين است كه در انجا متان فقط با بخار آب واكنش مي دهد.اكسيداسيون جزيي متان مخلوط گازي از COوH₂توليد مي كندكه واكنش آن در زير آمده است:
CH₄+1/2O₂→CO+2H₂ ∆H=-36KJ/mol
واكنش زير با واكنش اكسيداسيون كلي در رقابت است:
CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O ∆H=-890KJ/mol

تحقيقات جديد در اين زمينه
بهبود فرايند اكسيد اسيون جزئي ، همچون smr با استفاده از تكنولوژي غشا در مخزن راكتور امكان پذير است تكنولوژي پيشرفته غشاي انتقال دهنده يون ( ITM ) از غشا هاي سراميكي بدون خلاء و فرج و اكسيد هاي فلزي كه جداسازي اكسيژن را از هوا انجام مي دهند استفاده مي كند. به اين طريق اكسيد اسيون جزئي در يك مرحله انجام مي گيرد . يك كاتاليزور در سطح غشا وجود دارد كه گرماي هوا را نسبت به يون هاي اكسيژن كه به داخل غشا نفوذ مي كنند با بخار آب و متان فعل و انفعالاتي را صورت مي دهند كاهش مي دهند . نتيجه فرايند واكنش اكسيد اسيون جزئي است اين واكنش ممكن است نياز به واحد پرهزينه توليد اكسيژن را حذف كند .
3- گاز سازي از زغال سنگ :
همانند تبديل بخار آب – متان گاز سازي از زغال سنگ نيز داراي سه مرحله است . ابتدا عمليات با بخار در دماي بالا ( 1300 C ) براي توليد گاز سنتز انجام مي گيرد ، سپس يك تبديل و در انتها خالص سازي هيدروژن توليدي رخ مي دهد . در اولين مرحله زغال سنگ در دماي بالا ( 1300 C ) از نظر شيميايي تجزيه شده و يك گاز سنتز توليد مي نمايد ، اين عمل بر اساس واكنش زير انجام مي پذيرد :
Coal(carbon source ) + H­2O →H­2+CO+ناخالصي
حرارت مورد نياز در اين مرحله به وسيله كنترل افزايش اكسيژن حاصل مي شود . براي اينكه اجازه مي دهيم زغال سنگ خوراك ، به ميزان كمي تحت اكسيد اسيون جزئي قرار گيرد . اين واكنش به واسطه دميده شدن اكسيژن انجام مي پذيرد دمنده اكسيژن ، O2 را به صورت مستقيم از هوا در سيستم خالص سازي تامين مي كند . وقتي در توليد هيدروژن از دمنده اكسيژن استفاده مي شود عموماً مقدار كمي NOX توليد مي گردد كه فرايند جداسازي آن نسبت به جداسازي CO2 سازگار تر و مناسب تر است هيدروژن اوليه در راكتور باعث افزايش اندازه و هزينه راكتور مي شود در حالي كه تجهيزات پايين دستي و جداسازي CO2 پرهزينه هستند . در مرحله دوم گاز سنتز از يك راكتور تبديل كننده ، براي تبديل يك جزء از منواكسيد كربن به دي اكسيد كربن عبور داده مي شود . واكنش آن در زير نشان داده شده است
CO+H2O →CO2+H2O
راكتور تبديل كننده آدياباتيك است و در دماي بالا ( تقريباً 450 C ) عمل مي كند و شامل يك سولفور تولرانت كبالت موليبدات به عنوان كاتاليزور جابجا كننده است . اگر بخواهيم قبل از واكنش جابجايي ، H2S را ازبين ببريم آهن و اكسيد كرم كاتاليزور هايي هستند كه در فشار كمتر از 50 بار مورد استفاده قرار مي گيرند . گاز سنتز تبديل شده شامل 60 درصد حجمي هيدروژن تركيب شده با CO2 و بيشتر CO باقيمانده است . CH4 ، O2 ، N2 و H2S به عنوان ناخالصي ممكن است وجود داشته است كه اين ناخالصي ها مربوط به زغال سنگ خوراك است.
سومين مرحله ، توليد هيدروژن خالص است . جذب فيزيكي 99 % ناخالصي H2S را حذف مي كند . حداكثر H2 در گاز سنتز تبديل شده 85% است كه پس از حذف كردن ناخالصي ها هيدروژن به خلوص 99.99% مي رسد در اينجا از واحد جذب با فشار متغيير ( PSA ) استفاده مي شود بنابر اين تجزيه دي اكسيد كربن به يك برج ثانويه احتياج دارد كه CO2 باقيمانده در گاز سنتز را حذف مي كنند اين گاز ها نمي سوزد بلكه براي توليد الكتريسيته از آنها استفاده مي شود
4 – گاز سازي / پيروليز زيست توده
از زيست توده براي توليد هيدروژن مي توان به دو روش فرايند مستقيم گاز سازي يا با پيروليز يا گراماكافت استفاده كرد . زيست توده مورد استفاده ، از محصولات كشاورزي ، شامل چوب درختان جنگلي ، چوب نرم و ديگر انواع محصولات زراعي بدست مي آيد همچنين مي توان از زباله هاي شهري جامد يا فاضلاب بدين منظور سود جست . فرايند گاز سازي زيست توده شبيه فرايند گاز سازي زغال سنگ است . اين فرايند نيز در سه مرحله انجام مي گيرد : ابتدا زيست توده با بخار آب كه در دماي بالايي است در يك گاز ساز با اكسيژن يا هوا واكنش مي دهد كه يك تركيب گاز سنتز ناخالص از گاز هاي هيدرو كربني ، هيدروژن CO ، CO2 ، قطران و بخار آب توليد مي نمايد . پسماند كربن به شكل توده و خاكستر در گاز ساز باقي مي ماند. سپس قسمتي از دوده ضمن واكنش با اكسيژن سبب مي شود كه بخار آب و هيدروژن به گاز تبديل مي شود و قسمتي ديگر براي تامين حرارت مي سوزند . همانند گاز سازي از زغال سنگ در مرحله دوم به گاز تبديل مي شوند و در ادامه خالص سازي را خواهيم داشت . همچنين زيست توده مي تواند ابتدا تبديل به زيست سوخت مايع در يك فرايند به نام پيروليز شود . پروليز يك فرايند گرماگير براي تجزيه حرارتي زيست توده در دماي 450-550 C است زيست سوخت مايعي است كه از تركيبات آلي اكسيژن دار و آب تشكيل شده است . زيست سوخت از يك كاتاليزور با پايه نيكل براي تبديل به بخار شدن در دماي 750-850 C استفاده مي كنند . سپس به وسيله يك واكنش به CO و سپس به CO2 تبديل مي شود واكنش اين فرايند در زير آمده است
BIOMASS+ENERGY→BIO-OIL+CHAR+GAS
BIO-OIL+H2O→CO+H2
CO+H2O→CO2+H2
1 – تحقيقات جديد در اين زمينه
بيشتر تحقيقات در اين زمينه تهيه خوارك زيست توده استفاده از كاتاليزور يا بدون كاتاليزور بودن واكنش ها و پارامتر هاي طراحي راكتور براي بالا بردن توليد انتخابي هيدروژن و حداقل كردن CO است .
ذخيره سازي هيدروژن:
اساسا ذخيره سازي هيدروژن بركاهش حجم آن دلالت دارد.يك كيلوگرم هيدروژن در فشارجو و درجه حرارت پايين حجم 11متر ممكعب را در بر مي گيرد.به منظور كاهش دانسيته هيدروژن در يك سيستم ذخيره سازي مي بايست هيدروژن به صورت متراكم به كار گرفته شود.يا درجه حرارت محيط تا زير درجه حرارت بحراني كاهش داده شود،يا در نهايت نيروي دافعه بين ملكول هاي هيدروژن توسط اثر متقابل آن با يك ماده ديگر كاهش داده شود.جذب و ازادسازي هيدروژن و قابليت تبديل اين دو به صورت معكوس به يكديگر دومين معيار مهم سيستم ذخيره سازي هيدروژن است.هيدروژن به شش روش مختلف ذخيره سازي مي شود:
1-سيلندرهاي گاز با فشار بالا(بيشتر از 800بار)
2-هيدرژن مايع در تانك هاي بسيار سرد (در21 K )
3-جذب سطحي هيدروژن روي موادي با مساحت سطح بالا(در100 K)
4-جذب روي نواحي بينابيني در يك فلز ميزبان(در دما و فشار محيط)
5-پيوندهاي شيميايي در تركيبات يوني و كوالانسي(در فشار محيط)
6-از طريق اكسيد اسيد فلزهاي واكنش دهنده نظيرLi،NaوMgوAl،Znبا آب.
1-سيلندرهاي گاز با فشار بالا
رايج ترين سيستم ذخيره سازي،سيلندرهاي گاز با فشار بالا با حداكثر فشار 20Mpaاست.سيلندرهاي مركب جديد با وزن پايين توانايي مقاومت در فشارهاي بالا تا 80Mpaرا دارا هستند،بنابراين هيدروژن مي تواند در نقطه جوش نرمال به يك دانسيته حجمي 36kg/m³ كه تقريبا نيمي از دانسيته حجمي ان در شكل مايع است برسد.زماني كه ضخامت ديواره هاي سيلندر تحت فشار افزايش يابد با افزايش فشار داخل سيلندر دانسيته وزني هيدروژن كاهش مي يابد.امروزه اكثر سيلندرهاي فشاري از جنس فولاد ضدزنگ سخت (AISI 316و304و613L AISI,و304Lبالاي 300C براي جلوگيرياز جدايي پيوندهاي كربني)مس يا آلياژهاي آلومينيوم كه ميزان زيادي مقاوم در برابر اثرات هيدروژن در فشارهاي محيط هستند،ساخته شده اند بسياري از مواد ديگر به عنوان جايگزين مواد فوق در ساخت سيلندرهاي مورد نياز نظير آلياژخاي فولاد يا آلياژهاي با قدرت بالا همانند تيتانيوم و آلياژهاي آن و بعضي از الياژهاي نيكل وجود دارند كه كمتر از آنها استفاده مي شود.
2-هیدروژن مایع:
هیدروژن مایع در تانک های سرمازایی در 21/2 k در فشار محیط ذخیره می شود.به علت درجه حرارت بحرانی پایین هیدروژن (33k)، هیدروژن مایع تنها در سیستم های باز می تواند ذخیره شود،زیرا بالاتر از درجه حرارت بحرانی،هیدروژن به صورت مایع وجود نخواهد داشت.فشار در یک سیستم ذخیره سازی بسته در درجه حرارت محیط تا حرود 10⁴ bar می تواند افزایش پیدا کند.دانسیته حجمی هیدروژن مایع 70.8 kg/m³ بوده،که مختصری نسبت به هیدروژن جامد70.6 kg/m³ ،بیشتر است.در ذخیره سازی هیدروژن مایع،کارآیی فرایند مایع سازی و عایق سازی حرارتی مخزن سرما زایی به دلیل خارج شدن بخار هیدروژن مایع کاهش می یابد.
3-جذب سطحی فیزیکی هیدروژن :
جذب سطحی گاز بروی یک سطح نتیجه نیروئی میدانی در سطح جامد است که جاذب نام دارد؛و ملکول های گاز یا بخار را جذی می کند که ماده جذب شده نامیده می شود.شروع جذب سطحی فیزیکی ملکول های گاز بروی سطح یک جامد همراه با نوسانات متغیر توزیع بار است،که واکنش پاشنده یا واکنش های واندروالس نامیده می شوند.در فرایند جذب سطحی فیزیکی،یک ملکول گاز با چندین اتم در سطح جامد واکنش انجام می دهد.واکنش های بین گاز و سطح جامد به دو شکل جاذبه و دافعه ای صورت می گیرد.بنابراین،تقریبا در یک فاصله شعاع ملکولی ماده جذب شده،انرژی پتانسیل مولکول حداقل مقدار ممکن خود را داراست.حداقل انرژی به ترتیب از0.01 eVتا0.1eV(1تا10 kj/mol)است.به علت فعل و انفعالات ضعیف،جذب سطح فیزیکی قابل توجه تنها در درجه حرارت های پایین(کمتر از 273 k)مشاهده می شود.به محض اینکه ملکول های ماده جذب شده در نخستین لایه شکل گرفتند،مولکول های گاز با یک سطح مایع یا جامد واکنش می دهند.بنابراین،انرژی دومین لایه مولکول های ماده جذب شده مشابه با گرمای نهان تبخیر این ماده است.در نتیجه ،جذب سطحی ماده جذب شده در درجه حرارتی براب یا بیشتر از نقطه جوش در یک فشار ثابت،موجب هدایت روند جذب سطحی تنها به یک لایه می گردد.
ایمنی هیدروژن
دراین قسمت خطرات سیلندرهای حاوی هیدروژن بررسی می شود:
سیلندرهای گاز فشرده دارای خطرات مکانیکی و شیمیایی هستند.انرژی زیادی که ناشی از از فشرده سازی گاز در سیلندر است،داخل سیلندرها متراکم می شود.این سیلندرها قابلیت انفجار دارند و همچون یک بمب عمل می کنند،که می تواند دلایل مختلفی داشته باشد.برای مثال یک سیلندر که دارای فشار 200psiاست حاوی انرژی معادل با یک و نیم پاوندTNTاست.نارسایی و خرابی سیلندر و یا شیر آن به شدت خطر آفرین بوده و احتمال بروز انفجار را به شدت افزایش می دهد.گاز فشرده یکی از گزینه های مطرح شده برای ذخیره سازی هیدروژن مورد استفاده در وسائل نقلیه است،تانک های سوخت هیدروژن فشرده تحت فشار زیاد(5000-10000PSI)کار می کنندکه این یکی از معایب آنها است.در حقیقت یک نقص این است که هیدروژن از شکاف های بوجود امده در این مخازن نشت خواهد کرد که با آزاد شدن دمای زیاد همراه خواهد بودو همچنین اثری منفی در ضریب ژول-تامسون می گذارد.نشت سیلندرهیدروژن وسایل نقلیه ای که در پارکینگ هستند،موقعیت خطرناکی را ایجاد می کنند که باعث خسارت شدید مالی و جانی خواهد شد.


عوامل به وجود امدن فجایع و حوادث را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:
-نقص در مواد و ماشین آلات
-به وجود آمدن خوردگی
-بالا رفتن میزان شکنندگی تانک های ذخیره سازی در دمای پایین
-انفجار بخار در حال انبساط حاصل از مایع در حال جوشیدن
-تخریب ناشی از برخورد موج انفجار و قطعات به خاطر مجاورت با انفجار
-اشتباهات فردی
اجزا سیستم های عرضه شده
1-دستگاه فشار شکن:هر سیستم تنظیم کننده فشار باید دارای یک درجه بندی فشار که معادل یا بیشتر از حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) است،باشد.حداکثر فشار کاری مجاز،حداکثر فشاری است که سیستتم بصورت ایمن عمل می کنند.سیلندر هیدروژن باید مجهز به دستگاه فشار شکن باشد،تا نسبت به آزاد شدن گاز با افزایش فشار آن به بیشتر از MAWPرا تحت کنترل داشته باشد.ظرفیت مناسب برای این دستگاه 10٪بیشتر ازMAWPاست.نوع مورد استفاده در سیلندرهای هیدروژن یک صفحه مدور با یک پشتیبان از جنس فلز با نقطه ذوب پایین است تا در برابر انفجار تحت ترکیبی از دما بالا و فشار بیش از اندازه جلوگیری کند.
2-شیرها:به منظور عکس العمل های سریع و غیر منتظره نیاز به شیرهای ایزولاسیون است.این شیر یاید در یک مکان قابل دسترسی داخل خط لوله هیدروژن نصب می شود تا جریان هیدروژن را در موقع اضطراری بتوان قطع کرد.
3-وسایل تنظیم کننده فشار:در عمل نمی توان از شیرهای قطع کننده جریان که همراه سیلندرها هستند،برای کنترل تخلیه کاز استفاده کرد .تجهیزات دیگری که برای سیستم های انتقاال گاز هیدروژن نیاز است وسایل تنظیم کننده فشار و فشار سنج ها هستند.
4-تجهیزات الکتریکی:زمانی که از هیدروژن در اطراف تجهیزات الکتریکی استفاده می شود به دلیل آنکه انرژی بسیار کمی برای شعله ور شدن گاز هیدروژن مورد نیاز است باید بسیار دقت نموده و به اخطارها توجه کرد.همه سیستم های الکتریکی باید از لوله های پلاستیکی تاشو و لوله کشی برخوردار بوده و باید دارای اتصال به زمین باشد.

سوخت جت:
با ظهور هواپیماها جت کاربرد دیگری برای برش نفت سفید (کروزن)به عنوان سوخت جت پیدا شد.امروزه بیش از 30 نوع سوخت جت در مشخصات گوناگون تهیه می گردد.
که از نظر ویژگی به سه گروه اصلی تقسیم می گردند:
1-سوختهای جت بنزینی:این سوختها از بنزین هواپیما سنگین تراند و فشار بخارشان پایین تر است.این سوخت ها معمولا درهواپیماها جت نظامی ملخ دار استفاده می شوند.JP4یکی از این سوختها است که گسترده جوشش بین 155-240 سانتی گراد است.
2-سوختهای جت نفتی:این سوختها در حقیقت همان برش نفت سفید است که کیفیتش اندکی بهبود یافته و از نظررنقطه دود و نقطه انجماد و خورندگی وضعیت بهتری پیدا کرده است.به این نوع سوختها ،مواد افزودنی بهبود دهنده کیفیت نیز اضافه می شود.این دسته از سوختها کاربرد بیشتری نسبت به سوخت جت بنزینی داشته و بغیر از هواپیمای نظامی در هواپیماهای مسافربری نیز استفاده می شود.
3-سوختهای جت نفتی سنگین:این سوختها از سوختها قبلی سنگین تراند و نقطه اشتعالشان بالاتر است.این نوع سوختها کاربرد محدود به مصارف نظامی دارد.
برخی از ویژگی های لازم برای سوختهای جت عبارتند از:
1-چگالی نسبی:برای بدست آوردن حداکثر انرژی در حجم معینی از مخزن و کاهش حجم راکتورها از سوخت جت با چگالی نسبی بالا استفاده می شود یعنی اینکه هر چه چگالی نسبی سوخت بیشتر باشد حجم کمتری را می گیرد ولی افزایش چگالی نباید بوسیله ترکیبات خیلی سنگین که باعث کاهش بازده احتراق و ایجاد رسوبهای کربنی می شوند تامین شوند.چگالی سوختهای جت در حدود .80 است.
2-فشار بخار:این مشخصه فقط در مورد JP4وجود دارد.فشار بخار این سوخت باید بین 140 تا210 g/cm³ باشد تا در شرایط فشار کم (در ارتفاعات زیاد ) سوخت تبخیر نشود زیرا این گونه تبخیر سدی از بخار ایجاد می کند و باعث از کار افتادن پمپها و اتلاف در مخازن می شود.با این حال وجود ترکیبات سبک در سوخت برای روشن شدن موتور بروی زمین و دوباره روشن شدن آن در ارتفاع زیاد ضروری است.
3-میزان اروماتیک ها:میزان اروماتیک ها باید از 25٪کمتر باشد تا تشکیل رسوبهای کربنی محدود شود.با اینکه هیدروکربن هایی که نسبت C/Hآنها بالاتر است.بدتر از زنجیره ها پارافینی می سوزند.ولی به نظر می رسد که مقدار رسوبهای تشکیل شده بیشتر به اندازه ذرات پخش شده سوخت بستگی دارد تا ساختار شیمیایی آن.
4-نقطه انجماد:برای -40 CJP1 و برای -60 CJP4در نظر گرفته شده است تا امکان پمپ کردن سوخت در دما خیلی پایین (حدود-55 C)میسر باشد.نقطه انجماد ارتباط نزدیکی با نقطه نهایی تقطیر دارد.
5-میزان آب:سوختهای جت باید عاری از قطرات معلق آب باشد.بااینکه حلالیت آب در هیدروکربن ها بسیار کم است ولی قابل صرف نظر نیست مثلا در 30 C کروزن به وسیله 0.01 وزنی آب اشباع می شود در حالی که در -20 Cحلالیت آب دراین برش به صفر می رسد.با این ترتیب پایین امدن دما در ارتفاع زیاد باعث جدا شدن آب از سوخت می شود این آب بلافاصله منجمد شده و باعث انسداد صافی ها می شود.در صد آب محلول را می توان با عبور دادن سوخت های جت از روی مواد جذب کننده رطوبت نظیر سیلیکاژل یا زغال فعال به طور قابل ملاحظه کاهش داد.
6-وضعیت انفجاری:هنگام ذخیره کردن سوخت های جت در مخازن غلظت قسمت های سبک به گونه ای است که فاز بخار بالا برش اغلب در منطقه اشتعال قرار می گیرد و کمتریت جرقه می تواند باعث انفجار مخزن شود بنابراین مخازن کروزن باید دقیقا بررسی شوند تا از خطرات ناشی از الکتریسیته ساکن جلوگیری شود.
آب معلق این سوختها باید حذف شود.همچنین برای جلوگیری از خورندگی باید مقدار مرکاپتان ها و اسیدهای آلی و معدنی سوخت های جت به دقت تنظیم شود.

جدول مشخصات بعضی از سوختهای جت
خواص
سوخت جت نفتی سنگین
سوخت جت بنزینی
سوخت جت نفتی
چگالی بر حسب API




حداکثر
51
57
51
حداقل
37
45
37
دما تقطیر(F)



10٪
400
-
400
20٪
-
290
-
50٪
-
370
-
90٪
-
470
-
نقطه نهایی
52
-
572
نقطه اشتعال(F)
100
-
100
نقطه انجماد(F)
-40
-58
-53
درصد وزنی گوگرد
0.3
0.3
0.3
درصد حجمی
20
20
20
اروماتیک ها
5
5
5
درصد حجمی الفینها




نفت سفید
نفت سفید یا نفت چراغ مایعی با رنگ و کمی سنگین تر از بنزین است و مستقیما از تقطیر نفت خام بدست می ایدو شامل دسته از هیدروکربن ها است که نقطه جوش اولیه انها 150 و نقطه جوش نهایی شان 250 درجه سانتی گراد است.نفت سفید معمولا به مصارف مختلف از قبیل روشنایی ،ایجاد گرما و سوخت اجاق های خوراک پزی می رسد مصارف دیگر آن در موتورهای توربینی و تراکتورها و بعضی از هواپیماهای جت می باشد.نفت سفید مخلوطی از گروههای مختلف هیدروکربن که در مولکول هایشان بین 10 تا 14 کربن دارند می باشد .نفت سفید را با نقطه دود( معرف تمیز بودن احتراق)و نقطه اشتعال (معرف سهولت تبخیر )آنها می سنجند.

برای مصرف نفت سفید باید ویژگی های زیر را دارا باشد:
الف-پایین بودن غلظت آروماتیک ها،تا از دود زدن و از جرم گرفتگی فیتیله جلوگیری شود.
ب-پایین بودن مقدار پارافین های قابل تبلوردر -15 Cتا در زمستان صعود نفت در فیتیله امکان پذیر باشد.
ج-عاری بودن از ترکیبات با بوی تند نظیر مرکاپتان ها
نفت سفید را می توان پس از تخلیص و بی بو کردن به عنوان حلال حشره کش ها نیز بکار برد.
مشخصات نفت سفید در ایران
شرح
مقدار
چگالی در 60 F
0.82
بیشترین حد
رنگ (سیبولت)
25
کمترین حد
بو
قابل پذیرش بازار
-
ازمایش در 185 C
50
بیشترین حد
ازمایش در 200 C
20
بیشترین حد
ازمایش در 210 C
90
بیشترین حد
ازمایش در 225 C
95
بیشترین حد
نقطه جوش نهایی
275
بیشترین حد
باقیمانده( درصد حجمی)
2
بیشترین حد
هدر رفته(درصد حجمی)
1.5
بیشترین حد
نقطه اشتعال(درجه سانتی گراد)
43.6
کمترین حد
نقطه دود(میلی متر)
25
کمترین حد
گوگرد (درصد وزنی)
0.15
بیشترین حد


منبع :
هیدروژن (تولید و دخیره سازی و ایمنی) : رسول عبدالله میرزائی ، محمد حسین مجد
گرداوری مطلب : مهندس ابوالفضل حارث ابادی (سبزوار)